万瓦级光纤连接器参数设计及热效应数值模拟

章曦; 李平雪; 董雪岩; 杨卫鑫

doi:doi:10.3788/LOP202158.0114009

激光与光电子学进展, 2021, 58 (1): 0114009, 网络出版: 2021-01-28

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Parameter Design and Thermal Effect Numerical Simulation of 10 kW Fiber Connector

章曦李平雪 ^*董雪岩杨卫鑫

作者单位

北京工业大学激光工程研究院,北京 100124

图 & 表

图 1. 扩束型光纤连接器结构图

Fig. 1. Structure of expanding fiber connector

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图 2. 光束耦合图

Fig. 2. Beam coupling diagram

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图 3. 边缘水冷结构图

Fig. 3. Structure diagram of edge water cooling

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图 4. 平面散热风冷结构图

Fig. 4. Air cooling structure of planar heat dissipation

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图 5. 侧面散热风冷结构图

Fig. 5. Air cooling structure of side heat dissipation

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图 6. 透镜表面最高温度随透镜厚度变化

Fig. 6. Maximum temperature of lens surface varies with lens thickness

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图 7. 厚度变化时不同冷却方式下透镜表面温度模拟结果。（a）（c）（e）透镜边缘厚度为5 mm;（b）(d)（f）透镜边缘厚度为25 mm

Fig. 7. Simulation results of lens surface temperature under different cooling modes when thickness changes. (a)(c)(e) Lens edge thickness is 5 mm; (b)(d)(f) lens edge thickness is 25 mm

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图 8. 透镜表面最高温度随透镜直径变化

Fig. 8. Maximum temperature of lens surface varies with lens diameter

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图 9. 透镜表面最高温度随风速变化

Fig. 9. Maximum temperature of lens surface varies with wind speed

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图 10. 风速变化时透镜表面温度分布的模拟结果。（a）（c）风速为1 m/s;（b）（d）风速为19 m/s

Fig. 10. Simulation results of temperature distribution on lens surface when wind speed changes. (a)(c)Wind speed is 1 m/s; (b)(d) wind speed is 19 m/s

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图 11. 透镜表面最高温度随着温度的变化

Fig. 11. Maximum temperature of lens surface varies with temperature

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图 12. 侧面风冷透镜非球面压力分布

Fig. 12. Aspheric pressure distribution of side air-cooled lens

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图 13. 平面风冷透镜平面压力分布

Fig. 13. Planar pressure distribution of planar air-cooled lens

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图 14. 实验原理图

Fig. 14. Experimental schematic

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图 15. 熔融石英玻璃表面温度图。（a）功率为10 W;（b）功率为70 W

Fig. 15. Surface temperature diagram of fused quartz glass. (a) Power is 10 W;(b) power is 70 W

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图 16. 实验和模拟数据对比图

Fig. 16. Comparison of experimental and simulated data

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章曦, 李平雪, 董雪岩, 杨卫鑫. 万瓦级光纤连接器参数设计及热效应数值模拟[J]. 激光与光电子学进展, 2021, 58(1): 0114009. Zhang Xi, Li Pingxue, Dong Xueyan, Yang Weixin. Parameter Design and Thermal Effect Numerical Simulation of 10 kW Fiber Connector[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2021, 58(1): 0114009.

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图 1. 扩束型光纤连接器结构图

Fig. 1. Structure of expanding fiber connector

图 2. 光束耦合图

Fig. 2. Beam coupling diagram

图 3. 边缘水冷结构图

Fig. 3. Structure diagram of edge water cooling

图 4. 平面散热风冷结构图

Fig. 4. Air cooling structure of planar heat dissipation

图 5. 侧面散热风冷结构图

Fig. 5. Air cooling structure of side heat dissipation

图 6. 透镜表面最高温度随透镜厚度变化

Fig. 6. Maximum temperature of lens surface varies with lens thickness

图 7. 厚度变化时不同冷却方式下透镜表面温度模拟结果。（a）（c）（e）透镜边缘厚度为5 mm;（b）(d)（f）透镜边缘厚度为25 mm

Fig. 7. Simulation results of lens surface temperature under different cooling modes when thickness changes. (a)(c)(e) Lens edge thickness is 5 mm; (b)(d)(f) lens edge thickness is 25 mm

图 8. 透镜表面最高温度随透镜直径变化

Fig. 8. Maximum temperature of lens surface varies with lens diameter

图 9. 透镜表面最高温度随风速变化

Fig. 9. Maximum temperature of lens surface varies with wind speed

图 10. 风速变化时透镜表面温度分布的模拟结果。（a）（c）风速为1 m/s;（b）（d）风速为19 m/s

Fig. 10. Simulation results of temperature distribution on lens surface when wind speed changes. (a)(c)Wind speed is 1 m/s; (b)(d) wind speed is 19 m/s

图 11. 透镜表面最高温度随着温度的变化

Fig. 11. Maximum temperature of lens surface varies with temperature

图 12. 侧面风冷透镜非球面压力分布

Fig. 12. Aspheric pressure distribution of side air-cooled lens

图 13. 平面风冷透镜平面压力分布

Fig. 13. Planar pressure distribution of planar air-cooled lens

图 14. 实验原理图

Fig. 14. Experimental schematic

图 15. 熔融石英玻璃表面温度图。（a）功率为10 W;（b）功率为70 W

Fig. 15. Surface temperature diagram of fused quartz glass. (a) Power is 10 W;(b) power is 70 W

图 16. 实验和模拟数据对比图

Fig. 16. Comparison of experimental and simulated data

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图 1. 扩束型光纤连接器结构图

Fig. 1. Structure of expanding fiber connector

图 2. 光束耦合图

Fig. 2. Beam coupling diagram

图 3. 边缘水冷结构图

Fig. 3. Structure diagram of edge water cooling

图 4. 平面散热风冷结构图

Fig. 4. Air cooling structure of planar heat dissipation

图 5. 侧面散热风冷结构图

Fig. 5. Air cooling structure of side heat dissipation

图 6. 透镜表面最高温度随透镜厚度变化

Fig. 6. Maximum temperature of lens surface varies with lens thickness

图 7. 厚度变化时不同冷却方式下透镜表面温度模拟结果。（a）（c）（e）透镜边缘厚度为5 mm;（b）(d)（f）透镜边缘厚度为25 mm

Fig. 7. Simulation results of lens surface temperature under different cooling modes when thickness changes. (a)(c)(e) Lens edge thickness is 5 mm; (b)(d)(f) lens edge thickness is 25 mm

图 8. 透镜表面最高温度随透镜直径变化

Fig. 8. Maximum temperature of lens surface varies with lens diameter

图 9. 透镜表面最高温度随风速变化

Fig. 9. Maximum temperature of lens surface varies with wind speed

图 10. 风速变化时透镜表面温度分布的模拟结果。（a）（c）风速为1 m/s;（b）（d）风速为19 m/s

Fig. 10. Simulation results of temperature distribution on lens surface when wind speed changes. (a)(c)Wind speed is 1 m/s; (b)(d) wind speed is 19 m/s

图 11. 透镜表面最高温度随着温度的变化

Fig. 11. Maximum temperature of lens surface varies with temperature

图 12. 侧面风冷透镜非球面压力分布

Fig. 12. Aspheric pressure distribution of side air-cooled lens

图 13. 平面风冷透镜平面压力分布

Fig. 13. Planar pressure distribution of planar air-cooled lens

图 14. 实验原理图

Fig. 14. Experimental schematic

图 15. 熔融石英玻璃表面温度图。（a）功率为10 W;（b）功率为70 W

Fig. 15. Surface temperature diagram of fused quartz glass. (a) Power is 10 W;(b) power is 70 W

图 16. 实验和模拟数据对比图

Fig. 16. Comparison of experimental and simulated data

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